大学院・学部の講義や実習で扱っている神経生理学の内容を、学生が自分で条件を変えながら理解できるように、いくつかのインタラクティブWebシミュレーションを作成しました。
これまでPowerPointの模式図やグラフを使って説明していた内容についても、パラメータを実際に変えて結果を見ることで、「なぜそのような現象が起こるのか」をより直感的に理解できるのではないかと考えています。
生成AIとの対話を利用しながら、授業内容に合わせてモデル、パラメータ、説明文、実験課題などを調整しています。
1．ニューロンの形とシナプス入力の統合
大学院修士課程の「解剖生理学特論」で扱っている教材です。
ニューロンは単なる電線ではなく、細胞膜の抵抗と容量、樹状突起や軸索の太さ・長さなどによって電気的性質が変化します。
Ball & Stick modelを使って、
- 膜抵抗・膜容量
- 時定数
- 長さ定数
- 細胞体からの距離によるシナプス電位の減衰
- 時間的加重・空間的加重
などを、パラメータを変更しながら確認できます。
▶ Ball & Stick modelによるニューロンにおけるシナプス入力の統合［シミュレーションへのリンク］
2．運動ニューロンの大きさとサイズの原理
こちらも大学院「解剖生理学特論」で使用する教材です。
運動ニューロンでは、細胞の大きさによって入力抵抗や興奮性が異なります。この違いが、Hennemanの「サイズの原理」に基づく運動単位の動員順序につながります。
シミュレーションでは、
- 運動ニューロンの大きさ
- 入力抵抗
- レオベース
- S型・FR型・FF型運動単位
- 運動単位の動員
- 発生張力
などの関係を操作しながら観察できます。
▶ 運動単位と運動ニューロンの大きさ：サイズの原理［シミュレーションへのリンク］
3．カエル坐骨神経の活動電位記録
さらに、学部3年生の生理学実習で行っている「カエル坐骨神経からの複合活動電位記録」についても、実験内容をオンライン上で体験できるシミュレーションを作成しました。
実際の実習では、カエル坐骨神経標本を刺激して細胞外電位を記録します。
このWebアプリでは、実験を始める前に、
- 神経束から何を記録しているのか
- 複合活動電位（CAP）とは何か
- 細胞膜の等価回路
- 細胞内記録と細胞外記録の違い
- 二相性活動電位が生じる理由
- 伝導と伝達の違い
- 不応期
- レオベースとクロナキシー
などを確認できます。
その後、仮想的な神経標本について条件を変更しながら、
- 伝導速度
- 刺激強度と神経線維の動員
- 軸索の双方向伝導
- 神経活動電位と筋活動電位
- 絶対不応期・相対不応期
- 強さ–時間曲線
- 単相性・二相性記録
を実験できます。
記録波形から潜時を測定したり、刺激条件を変更したり、測定結果や波形をCSVファイルとして保存したりすることもできます。
日本語・英語併記としているので、実習前の予習や復習だけでなく、神経生理学の初学者の自習教材としても利用できるようにしました。
▶ カエル坐骨神経実習 / Frog Sciatic Nerve Lab ［シミュレーションへのリンク］
※ これらのシミュレーションは教育用の簡略モデルです。表示される数値は仮想標本の値であり、実測値や実験装置の推奨設定を示すものではありません。
「説明を聞く」だけでなく「条件を変えて確かめる」
神経生理学では、膜時定数、長さ定数、伝導速度、不応期など、式や模式図だけでは直感的に理解しにくい概念がいくつも出てきます。
これまでは講義中にグラフを示しながら説明することが中心でしたが、Webブラウザ上で学生自身がパラメータを変更し、
条件を変える → 結果を見る → なぜそうなったのか考える
という操作を繰り返せるようにすると、理解しやすくなるのではないかと考えています。
今回のシミュレーションは授業・実習用に作成したものですが、神経生理学を勉強している方の自習にも利用できると思いますので、公開しておきます。
今後も講義や実習で使える教材について、必要に応じて追加・改良していく予定です。